b) interventi di adeguamento di impianti esistenti, per il

International Seminar - University of Palermo 20 May 2016

Gaspare Viviani 1

Università di Palermo

Dipartimento di Ingegneria Civile,

Ambientale, Aerospaziale, dei

Materiali (DICAM)

Innovative wastewater

treatment technologies

for energy saving and

environmental

protection

May 20, 2016 - Palermo




environmental

protection


I REATTORI BIOLOGICI MBR e MB-MBR

introduzione alla tecnologia

Prof. Gaspare Viviani

Introduzione

a) interventi di potenziamento di impianti esistenti sovraccaricati, per

aumento degli AE serviti o sottodimensionamento iniziale;

b) interventi di adeguamento di impianti esistenti, per il rispetto di

standard di qualità più esigenti, introdotti dalle nuove normative

(D.lgs. 152/2006);

c) interventi di riuso delle acque reflue in impianti nuovi o esistenti

(rispetto di limiti più restrittivi; D.M. 185/2003);

d) realizzazione di nuovi impianti in aree di modesta estensione

(problemi di inserimento urbanistico dell’impianto, mascheramento

impianti, etc.).

Crescente interesse per l’utilizzo di nuove tecnologie per il trattamentodelle acque reflue diverse da quelle convenzionali (CAS: ConventionalActivated Sludge), per:

a) Processi a membrana (MBR: Membrane Bio-Reactor)

b) Processi a biomassa adesa a letto mobile (MBBR: Moving Bed Bio-Reactor)

c) Processi misti (MB-MBR: Moving Bed Membrane Bio-Reactor)

Esempi di tecnologie emergenti:

Tecnologie di notevole interesse, per la qualità del refluo trattato, ilmodesto ingombro richiesto, la possibilità di essere utilizzate anche inimpianti esistenti.

Introduzione

a) Criteri di dimensionamento spesso di tipo empirico o basato su

approcci validi per impianti convenzionali.

b) Numerosi dubbi sull’effetto che alcuni parametri di processo hanno

sulle rese di trattamento.

c) Problemi tecnologici non del tutto chiari (MBR: problemi di fouling

delle membrane, caratterizzazione delle biomasse ed effetto sul

meccanismo di filtrazione; MBBR: grado di riempimento,

interferenza tra biomasse adese e sospese).

Necessità di sperimentazione e ricerca:

L’interesse per la ricerca è in ogni caso rafforzata dalla diffusione che,specie all’estero, queste tecnologie hanno da diversi anni

Introduzione


Gaspare Viviani 2

Anni ‘60Dorr Oliver (trattamento acque di sentina delle

navi – conf. membrane esterne)

1989Yamamoto – Kubota (membrane piane

sommerse)

Sviluppo e diffusione degli MBR

� Istallazioni in oltre 200Paesi del mondo,principalmente est asiatico(Cina, Korea, Giappone).

� Istallazioni MBR in Europa:circa 800 impianti nel 2009,di cui ¾ per refluiindustriali, ma conmaggiori potenzialità per ireflui civili

Iniziative scientifiche italiane:

Palermo(4-5 luglio 2013)

Salerno(5-6 luglio 2012)

Palermo, 4-5 Luglio 2013

BioMac 2013

Bioreattori a Membrane (MBR)

per la depurazione delle Acque

Napoli, 6-7 ottobre 2014

Salerno,22-23 ottobre 2015Napoli

(6-7 ottobre 2014)Salerno

(22-23 ottobre 2015)Palermo(6-7 ottobre 2016)

Palermo, 6-7 ottobre 2014

BioMac 2016

Bioreattori a Membrane (MBR)

per la depurazione delle Acque

La filtrazione su membrana

Membrana

Obiettivo: separazione fisica di solidi sospesi, colloidali o disciolti daun mezzo liquido o gassoso.

Metodo: Passaggio del flusso attraverso la membrana, a seguito dell’applicazione di una forzante:

� pressione

� potenziale elettrico

� temperatura

� gradiente di concentrazione

� combinazione di diverse forzanti

Alimento

QA, CA

Permeato

QP, CP

Concentrato

QC, CC

Q

AJ

P=Flusso

permeatoA : area filtrante

TTMP R J= µ

TMP : pressione di transmembrana [Pa]RT : resistenza alla filtrazione [m-1]µ : viscosità del permeato [Pa·s]J : flusso di permeato [m3/m2s]

Pressione

transmembrana

La filtrazione su membrana

Applicazione di una pressione attraverso la membrana:


Gaspare Viviani 3

Alimentazione della membrana:

Filtrazione “dead end” Filtrazione “cross flow”

Vantaggi della filtrazione cross flow:� minore velocità di intasamento� idonea per sospensioni concentrate� autopulizia dovuta all’elevata velocità tangenziale del flusso, con

asportazione dei solidi che si depositano sulla membrana

Modalità di filtrazioneTrattamenti biologici a membrana

Le membrane utilizzate negli impianti MBR sono quelle diMICROFILTRAZIONE e di ULTRAFILTRAZIONE (porosità 0,04 – 0,4 µµµµ)

Membrane per Osmosi Inversa, Nanofiltrazione, Ultrafiltrazione, Microfiltrazione

Effetti delle membrane

migliorequalità delpermeato

riduzioneintasamento

Parametro MF UF NF RO

BOD o X X X

Durezza X X

Metalli X X

Nitrati o o X X

Inquinanti organici X X X

Composti organici di sintesi X X

TDS o o X X

TSS X X X X

Batteri X X X X

Protozoi e uova di elminti X X X X

Virus X X

Effetti delle membrane

�� Importanza della presenza del reattore biologico !X efficaceo poco efficace

Generalità sulle membrane e sul loro utilizzo negli MBR

con modulo esterno(side stream)

con membrane sommerse(SMBR)

• configurazione “side stream”: per piccoli impianti ad uso industriale

• configurazione “a membrane sommerse”: più adoperate; schema conmembrana in vasca separata più comodo per manutenzione

Impianti MBR per la rimozione del carbonio e di nitrificazione

� intercettazione da parte delle membrane delle frazioni carbonioseparticellata (tutta) e disciolta (parte)

� modesta influenza della membrana sul TKN (in buona parte disciolto)

� processo favorito dai lunghi tempi di residenza cellulare e dalleelevate concentrazioni di biomassa


Gaspare Viviani 4

Generalità sulle membrane e sul loro utilizzo negli MBR

• scarsa influenza della membrana sulla deN (composti disciolti)

• possibile peggioramento per ricircolo di O2 coi nitrati (elevata aerazione)

• processo favorito dagli elevati tempi di residenza cellulari

Impianti MBR nitro/denitronaturali (acetato di cellulosa)

polimerici

sintetici (PP, PET, polisolfoni,Materiali per membrane: poliolefine, etc.)

ceramici

� Membrane anisotrope, costituite dalla sovrapposizione di uno stratosottile superficiale (funzione di filtrazione) su uno più spesso eporoso (funzione meccanica)

� Assemblaggio delle membrane in “moduli” (elevate superfici involumi piccoli).

Tipologie di membrane

Tipologie di moduli di membrane

PER CONFIGURAZIONI SIDE-STREAM E

SOMMERSE (polimeriche)

PER CONFIGURAZIONI

SIDE-STREAM (ceramiche)

Impianti MBR per il trattamento delle acque reflue urbane

Confronto tra impianti convenzionali (CAS: Conventional Activated Sludge) e impianti MBR

Impianto convenzionale (CAS)

Impianto MBR


Gaspare Viviani 5

Caratteristiche di processo degli impianti MBR

• la membrana sostituisce la sedimentazione finale

• intercettazione totale delle frazioni carboniose particellata e parziale diquella disciolta (tra 0,45 µµµµ e la porosità della membrana)

• rimozione della frazione disciolta grazie ai processi biologici nelreattore (rimozione COD disciolto, nitro/denitro)

• concentrazioni elevate di biomassa nel reattore (10-15 g/l), elevate etàdel fango (fango stabile ?), bassa produzione di fango

• differenti cinetiche di processo all’interno del reattore biologico rispettoa un impianto convenzionale: diversa composizione della biomassa,per i differenti meccanismi di selezione, basati sulla capacitàdegradativa e non sulle caratteristiche di sedimentabilità.

• progressiva occlusione della membrana: modalità di funzionamento: aportata costante e TMP crescente (preferita) o a portata decrescente eTMP costante;

• necessità di periodici lavaggi (fisici e chimici) della membrana (��durabilità nel tempo)

� effettivo contributo delle membrane al rendimento globale dirimozione degli inquinanti (differenza tra filtrazione diretta e MBR ?);

� effettivo contributo del reattore biologico al rendimento globale dirimozione degli inquinanti (a che serve, visto che c’è la membrana ?)

Ruoli del reattore biologico e della membrana nella rimozione degli inquinanti

Elementi di incertezza ed equivoci nel valutare l’effettivo ruolo svoltoda reattore biologico e membrana nella rimozione degli inquinanti:

La rimozione avviene grazie al reattore e la

membrana serve solo per sostituire la

sedimentazione finale.

La rimozione avvienegrazie alla membrana e ilreattore biologico servesolo per l’accumulo deireflui e l’alloggio dellamembrana

Rend. totale rimozione COD:� rendimento di rimozione

complessiva del COD di circa il90% (70% dovuto al processobiologico; 20% dovuto allafiltrazione attraverso lamembrana).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

COD CODs

Ren

dim

en

ti [

%]

ηtot ηbio ηmem

Rend. totale rimozione CODsol:

� rendimento complessivo inferiore (circa 80 %); il rendimento difiltrazione è poco meno del 10%, per la presenza nel CODsol di solididisciolti < alla porosità della membrana (0,04 µµµµ).

Rend. rimozione membrana calcolato sul surnatante delreattore biologico:

� pari al 70% circa.

Ruoli del reattore biologico e della membrana nella rimozione degli inquinanti

(da Di Bella, 2008)

Problemi di processo negli impianti MBR

�Fouling: intasamento progressivo della membrana

�Foaming: produzione di schiume biologiche nel reattore biologico

�Polarizzazione da concentrazione: riduzione del flusso

attraverso la membrana


Gaspare Viviani 6

Problemi di esercizio delle membrane: fouling

Fouling reversibile: totalmente eliminabile con lavaggio fisico

(a) (b) (c) (d)

Pore Blocking

Standard blocking Complete blocking Intermediate blocking Cake deposition

fouling irreversibile

fouling reversibile

(a)+(c) adsorbimento nei pori o sulla superficie della membrana(b) occlusione completa dei pori(d) deposito superficiale di particelle

FOULING: è dovuto al deposito di sostanze sospese o disciolte sullasuperficie esterna della membrana e all’interno dei pori.

Conseguenza: aumento delle resistenze alla permeazione (TMP) eprogressiva occlusione della membrana

Fouling irreversibile: parzialmente eliminabile con lavaggio chimico

Variazione nel tempo della TMP per funzionamento a flusso costante


lavaggio fisico lavaggio chimico

Principali fattori che influenzano il foulingPrincipali fattori che influenzano il fouling

BiomassaCondizioni operative

MLSSMLSS

solutisoluti

EPSEPS

dimensione fiocchidimensione fiocchi

struttura fiocchistruttura fiocchi

configurazioneconfigurazione

TMPTMP

CFVCFV

aerazioneaerazione

HRT/SRTHRT/SRT

configurazioneconfigurazione

materialemateriale

idrofobicitàidrofobicità

porositàporosità

diametro poridiametro pori

Membrana


La formazione di EPS (polimeri extracellulari) è considerata una dellemaggiori cause del fouling !

La formazione di schiume biologiche (foaming) nei reattori biologici èuna disfunzione che mette a rischio la qualità dell’effluente, anchecon pericolo di fuoriuscita delle schiume dai reattori.

Problemi di esercizio delle membrane: foaming

In impianti convenzionali la formazionedi schiuma è dovuta allo sviluppo dibatteri foam-forming (p.e. Nocardia,Microtrhix parvicella), che sintetizzano oproducono composti idrofobici.

In impianti MBR la presenza di schiumebiologiche è stata osservata in presenzadi elevate concentrazioni di EPS, anchein assenza di batteri “foam former”.

Gli EPS quindi sarebbero quindiidentificabili come causa sia deifenomeni di fouling che di quelli difoaming.


Gaspare Viviani 7

Str

ato

lim

ite

Str

ato d

i gel

Mem

bra

na

dx

dC

Permeato J

Flusso

Retro-diffusivo

Flusso

convettivo

CB

CG

� Causa: progressivo accumulo di soluto nell’interfaccia membrana-liquido, con formazione di un gel layer in cui la concentrazione delsoluto CG e > di quella nella massa liquida CB

� Effetti: generazione di un fenomeno retrodiffusivo, che contrasta iltrasporto convettivo attraverso la membrana

� Effetto finale: riduzione del flusso attraverso la membrana

Problemi di esercizio delle membrane: polarizzazione da concentrazione

Dimensionamento degli impianti MBR

� volume del reattore biologico (uso di algoritmi analoghi ai CAS, diversecostanti cinetiche);

� superficie totale della membrana (fissare 80% “flusso critico” 15-30l/m2/ora);

� numero di moduli di membrane (dipende dalla tipologia di membranascelta);

� sistema di aerazione (a bolle grosse + bolle fini);

� frequenze cicli di alimentazione e lavaggio fisico (alimentazione 8-15min + lavaggio 1-2 min – relaxation);

� pompe per TMP (∆∆∆∆p da -0,5 bar (membrana sommersa) a +1-5 bar (side-stream);

� circuito di ricircolo biomassa da membrana a reattore biologico;

� compressori aria, fanghi di supero, etc.

Calcolo della superficie delle membrane

Si fissa il flusso massimo di permeato (l/m2ora), che dipende dallatipologia di membrana e della configurazione del sistema.

Esso va scelto:

• non troppo basso (�� elevate superfici complessive delle membrane equindi elevati costi di impianto per i moduli di membrane);

• non troppo alto (�� elevato sporcamento delle membrane ed eccessivafrequenza di pulizia della membrana stessa).

Il “flusso critico” JCR è definito come quel valore del flusso al di sotto delquale non si sviluppano fenomeni di sporcamento, con conseguentidiminuzioni dei flusso o aumento di TMP nel tempo, a seconda dellemodalità operative.

In realtà anche per valori di flusso inferiori a JCR, la presenza dellasospensione determina una graduale diminuzione nel tempo del flusso dipermeato (o l’aumento delle TMP).

Più corretto parlare di “flusso sostenibile”, definito come quel valoreottimale di flusso di permeato da estrarre, al fine di minimizzare gliinterventi di pulizia chimica e così prolungare la durata della membrana.

� Il valore di Jcr è solitamente indicato dalle case produttrici dei modulidi membrane ed assume valori di circa 20-50 l/m2ora.

� Per sicurezza, il flusso di progetto Jp per il dimensionamento dellemembrane può essere posto pari al’80% di Jcr.

Calcolo della superficie delle membrane


Gaspare Viviani 8

La superficie totale della membrana A può essere facilmente ricavatocome rapporto tra la portata massima alimentata e il valore di Jp cosiscelto:

Dal valore di A, in funzione della tipologia e del modello di membranaadottato, si valuterà il numero di moduli necessario per l’impianto.

= max

P

Q A

J

Problema: quale valore scegliere come Qmax e come contenere il rapportoQmax/Qmed ?

necessità di limitare gli incrementi di portata in tempo secco e di pioggiarispetto al valor medio di tempo secco, al fine di limitare la superficie dellemembrane e/o il loro eventuale sovraccarico.

Calcolo della superficie delle membrane Schemi per il controllo della variazione della portata

Soluzioni impiantistiche possibili:

a) reattore biologico con livello variabile (funzione di compenso);

b) vasca di equalizzazione in derivazione, a cui sono avviate a mezzo diuno scaricatore di piena le portate in eccesso rispetto a quellamassima ammessa; volume accumulato avviato all’impianto incorrispondenza delle portate inferiori a quella media;

VARIAZIONI DI PORTATA FRATEMPO SECCO E DI PIOGGIA

c) impianto “ibrido”: accoppiamento in serie o parallelo di una lineaMBR, alimentata con portata costante, e una CAS o chimico-fisica, acui sono avviate le portate in eccesso; qualità del refluo trattatomedia pesata dei due flussi in uscita da MBR e convenzionale.

collegamento in parallelo:

collegamento in serie:

Schemi per il controllo della variazione della portata

- la biomassa si sviluppa sulla superficie esterna di un supportomantenuto in sospensione nel reattore biologico (piccoli elementiprismatici di materiale plastico)

- Presenza di biomassa adesa e sospesa, con aumento della velocitàcomplessiva di rimozione del substrato (maggiori rendimenti,riduzione del volume del reattore biologico)

- Applicazioni per reattori biologici in condizioni aerobiche,anossiche o anaerobiche (rimozione BOD, N, P)

Caratteristiche di funzionamento:

Impianti MBBR


Gaspare Viviani 9

Configurazioni impiantistiche

� Processi MBBR “puri”

- senza ricircolo cellulare

- sviluppo della biomassa esclusivamente sui supporti

- assenza di ricircolo cellulare

Reattore S

� Processi MBBR “ibridi”

- con ricircolo cellulare

- biomassa sia sospesa che adesa

- elevata concentrazione di b. sospesa

S

ricircolo

Reattore

MBBR ibridi idonei per up-grading di impianti a F.A. (aumento caricoorganico, aumento età del fango, fango più sedimentabile, impiantocompatto)

Impianti MBBR

Esempi di mezzi di supporto per impianti MBBR

FLOCOR KALDNES

LINPOR NATRIX

Caratteristiche:

- tasso di riempimento (Vs/Vtot) circa 30%

- elevata superficie specifica

- riempimento in materia plastica

− ΦΦΦΦ medio 10-50 mm

Impianti MBBR

Colonizzazione dei mezzi di supporto

Supporto KALDNES tipo K1

Impianti MBBR

Introduzione del reattore biologico di corpi di riempimento sintetici, inmodo da agevolare la formazione di biomassa adesa, come gli impiantiMBBR (Moving Bed BioReactors).

Vantaggi:

Schemi misti: impianti MB-MBR

SCHEMI MISTI A BIOMASSA ADESA E SOSPESA(MB-MBR: Moving Bed Membrane BioReactor)

a) maggiore biomassa nel reattore �� minori volumib) minori concentrazioni di biomassa sospesa a parità di biomassa

totale �� minore fouling


Gaspare Viviani 10

Alternanza di fasi di aerazione e fasi anaerobiche/anossiche, conrimozione simultanea di azoto e fosforo.

Riempimento in fase anaerobica/anossica; estrazione permeato in faseaerobica.

Alcuni schemi in variante per gli MBR

SCHEMI CON FUNZIONAMENTO IN DISCONTINUO (SBR-MBR)

SBR MBR

Idonei per il trattamento di refluiad elevato carico organico.

L’effetto barriera dellamembrana favorisce l’accumulodella biomassa, riduce i tempi didigestione e migliora la qualitàdell’effluente.

Soluzioni adoperate:

a) side stream

b) a membrana sommersa

c) a membrana sommersa in comparto separato

Alcuni schemi in variante per gli MBR

MBR ANAEROBICI (ANMBR)

- side stream (preferita)

- a membrana sommersa coninsufflazione di biogas.

Università di Palermo

Dipartimento di Ingegneria Civile,

Ambientale, Aerospaziale, dei

Materiali (DICAM)




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Prof. Gaspare Viviani

Grazie per l’attenzione …

b) interventi di adeguamento di impianti esistenti, per il

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